本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
在一堆错综复杂的管道、管子、仪表、金属板、泵和胶带之下，隐藏着一个比外太空还要寒冷的地方。剑桥大学卡文迪什实验室的量子物质团队在这个有组织的混乱环境中工作，开始揭示SUV大小的冰箱中超冷材料的奇异量子特性。
因为人类可以轻易感知冷热之间的差异，所以温度是科学的一个特征，人们对此有相当直观的理解。但人们在区分冷热时实际体验到的是系统所包含的热能的量——例如，一个冰淇淋蛋卷所包含的热能比一碗热汤要少。而且由于这种能量来自物质内部原子和分子的运动，这意味着汤分子比冰淇淋中的分子运动得更剧烈。
然而，剑桥大学的团队在尝试接近绝对零度（热力学定律允许的最低温度）时，在一个更极端的层面上监测能量。绝对零度，技术上称为零开尔文，等于−273.15摄氏度或-459.67华氏度，并在温度计上标记了一个系统达到其最低可能能量或热运动的点。
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不过，这里有一个问题：绝对零度是不可能达到的。原因与从物质中去除热量所需的工作量有关，当您尝试达到更低的温度时，工作量会大幅增加。要达到零开尔文，您将需要无限量的工作。即使您能够达到那里，量子力学也规定原子和分子仍然会具有一些不可约的运动。
量子力学也意味着，这些研究人员越接近绝对零度，物质的性质就变得越怪异。例如，在足够低的温度下，液氦会转变成超流体——一种没有摩擦阻力流动的液体。因此，它可以自发地向上和向外流出容器；渗入分子薄的裂缝；在高速旋转时保持完全静止；并且——最令物理学家惊讶的是——聚结成一个“超原子”，称为玻色-爱因斯坦凝聚态。卡文迪什团队在约1到10毫开尔文，即千分之一开尔文的温度下工作，正在调查各种其他也表现出奇异量子行为的材料。而且该小组用来达到如此低温的技术几乎与它试图诱导的行为一样复杂。
对绝对零度的探索始于18世纪初，当时纪尧姆·阿蒙顿提出，如果温度是系统中热量的度量，那么就必然存在一个最低温度。然而，直到两个世纪后，阿蒙顿的理论才在实验中找到其地位。在莱顿大学，海克·卡末林·昂内斯和他的同事们与世界各地的其他人竞争，以开发液化氦的技术。在多次失败的尝试之后，他们成功了，荷兰国家科学史和医学史博物馆 Boerhaave 博物馆馆长 Dirk van Delft 说，“莱顿曾短暂地成为地球上最冷的地方。”
昂内斯的成功最终归功于最早的高功率制冷形式之一。与日常冰箱一样，昂内斯实验室以及现在世界各地实验室中的冷却系统都以循环方式工作。冷却过程本身类似于您对着热咖啡吹气以使其冷却时发生的情况。当人吹气时，更混乱、移动更快的咖啡分子被鼓励蒸发，从而远离杯子。留下的分子平均移动速度较慢——因此使咖啡达到更适宜饮用的温度。然而，与使用冰箱内部蒸汽的日常冰箱不同，昂内斯使用气态氦和液态氢气和氧气来实现低温。
通过将气态氦循环通过浸泡在冷液氢和空气中的腔室，昂内斯的小组成功地达到了一个温度，在该温度下，一小杯氦可以液化。这样做时，气态状态下的多余热量消散，系统达到了仅为六
开尔文高于绝对零度——这是当时最接近的尝试。这项研究为昂内斯赢得了1913年诺贝尔物理学奖。他还意外地发现了超导性，即物质以零电阻传输电流的能力。这种特性使得当今MRI探测器和巨型粒子加速器中使用的强大超导磁体成为可能，以及其他应用。
当今世界上最好的制冷系统都基于昂内斯的原始工作，但它们现在可以达到几毫开尔文，利用两种不同的氦同位素。与大多数液体在某个温度点会冻结并变成固体不同，氦在一直到绝对零度的温度下都保持液态。由于其原子在这些温度下非常轻，氦被微弱地吸引到其他氦原子，以至于它们被锁定在持续的抖动中，称为零点运动，这是一种由海森堡不确定性原理定义的量子力学效应。
氦在一个基本上是闭环的系统中运行，其作用几乎与您杯子中那些无序的咖啡分子完全相同，并在循环时将多余的热量散发到环境中。当氦-3同位素由于冰箱装置引起的吸引力和压力差而向氦-4同位素迁移时，它会吸收热量并将整个系统冷却到毫开尔文水平。
剑桥实验室使用这种冰箱来检查许多不同类型的材料和材料特性。其中最令人惊讶的可能是锗化铁 YFe2Ge2。在低温下，这种铁基材料会扭曲成超导体。“最令人震惊的发现实际上是 YFe2Ge2 作为超导体的存在，”剑桥量子物质小组的博士生 Keiron Murphy 说。
他解释说，由于铁的磁性，无论温度如何，铁通常会破坏材料中的任何超导特性。超导性在科学、医学和计算领域有许多应用，每一种新的超导体都可以帮助促进新技术的发展。由于该实验室的工作，YFe2Ge2 现在被认为是研究具有类似铁结构的化合物中超导性的参考材料。
不幸的是，墨菲说，量子态“本质上是脆弱的”，并且在某些材料中自然产生的相当一部分有趣特性“被较高温度下的振动所淹没”。量子物质小组在约 1 到 10 毫开尔文的温度下工作，可以在这些温度下进行数月的测量。但该小组目前正在开发另一种更高效的冰箱，可以更长时间地维持这些低温。
有了这个新冰箱，该团队将长期研究低温下的其他铁基材料，并继续研究被称为拓扑半金属的材料，例如 ZrSiS。拓扑半金属的低温磁性行为在很大程度上是一个谜，因为它们的性质主要由它们的拓扑结构（或其各部分的排列）决定，而不是它们的组成元素。一旦新冰箱投入运行，剑桥团队就准备揭开它们的谜团。
奇异的物理特性在低温的极端条件下蓬勃发展，而这些奇异特性的影响似乎是无限的。诸如稀释制冷中使用的超冷技术对于广泛的学科至关重要：引力波研究、超导性、自旋电子学、量子计算和其他新兴技术。缓解高温应变，在绝对零度下工作对于理解和揭示量子力学和一般物理学中的许多未知数至关重要。
“在这些温度下，我们可以进入一个充满奇异现象的世界，曾经普通的材料变得非凡，”墨菲说。